JP7381421B2 - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。

基板を薬液処理する工程の一つに、処理槽内に貯留された高温の薬液に基板を浸漬させるエッチング工程がある。このエッチング工程では、処理槽の底部から薬液または気泡を吐出することによって、処理槽内で薬液を撹拌する場合がある。この場合、吐出口付近では、薬液の流速が高くなるため、基板面内でエッチング量に差が生じる可能性がある。

特許第４３９０６５０号公報

本発明の実施形態は、基板面内における薬液処理の均一性を容易に向上させることが可能な基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

一実施形態に係る基板処理装置は、複数の基板を処理する薬液を貯留する処理槽と、処理槽内に薬液または気泡を吐出する吐出口を有する配管と、処理槽内で複数の基板を支持する複数の棒状体と、複数の棒状体または処理槽に設けられ、配管から吐出された薬液または気泡によって各基板に加えられた振動を、基板の中心を回転軸とする一方向の回転に変換する変換機構と、を備える。

第１実施形態に係る基板処理装置の概略的な模式図である。 半導体基板の支持形態を簡略的に示す斜視図である。 図２に示す領域Ａを拡大した側面図である。 弾性体を拡大した斜視図である。 はエッチング前の半導体装置の平面図である。 図５Ａに示す切断線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 エッチング後の半導体装置の断面図である。 半導体基板が下降する状態を示す正面図である。 半導体基板が回転する状態を示す正面図である。 半導体基板が上昇する状態を示す正面図である。 第２実施形態に係る基板処理装置の要部を拡大した側面図である。 突起部を拡大した斜視図である。 半導体基板に振動が加えられた状態を示す正面図である。 半導体基板の時計回りの回転を阻止する状態を示す正面図である。 半導体基板が反時計回りに回転する状態を示す正面図である。 第３実施形態に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。 棒状体の側面図である。 半導体基板が浮遊する状態を示す正面図である。 半導体基板が水平移動する状態を示す正面図である。 半導体基板が回転する状態を示す正面図である。 第１変形例に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。 第２変形例に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。 第３変形例に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。 第４変形例に係る基板処理装置の要部を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。図１に示す基板処理装置１は、複数の半導体基板１００の各々に形成されたシリコン窒化膜(不図示)を、薬液２００で一括して選択的にエッチングするバッチ式のウェットエッチング処理装置である。本実施形態に係る基板処理装置１は、処理槽１１と、配管１２と、ポンプ１３と、複数の棒状体１４ａ～１４ｃと、を備える。

処理槽１１は、内槽１１１および外槽１１２を有する。内槽１１１には、薬液２００が貯留される。本実施形態では、１５０℃～１７０℃に加熱された高温のリン酸溶液が内槽１１１に貯留される。外槽１１２は、内槽１１１からオーバーフローした薬液２００を回収する。

配管１２は、外槽１１２の底部および内槽１１１の底部に連通して、内槽１１１と外槽１１２との間で薬液２００を循環させる。外槽１１２に流出した薬液２００は、配管１２の吐出口１２ａを通じて内槽１１１に還流される。

ポンプ１３は、配管１２に設けられている。ポンプ１３は、外槽１１２から薬液２００を吸引し、吸引した薬液２００を加圧する。これにより、外槽１１２に回収された薬液２００が配管１２の吐出口１２ａを通じて内槽１１１へ吐出される。

図２は、半導体基板１００の支持形態を簡略的に示す斜視図である。内槽１１１では、３本の棒状体１４ａ～１４ｃが、Ｙ方向に列状に並べられた複数の半導体基板１００を支持する。各棒状体は、リフタ１５からＹ方向に延び、例えば石英を用いて形成することができる。棒状体１４ａおよび棒状体１４ｂは、半導体基板１００の中心Ｃを通ってＺ方向に延びる中心軸に対して対称に配置されている。また、棒状体１４ｃは、棒状体１４ａと棒状体１４ｂとの間における上記中心軸上に配置されている。

リフタ１５は、駆動機構１６によって、駆動される。駆動機構１６は、例えば、モータおよびそのモータの駆動回路等で構成される。駆動機構１６がリフタ１５をＺ方向に昇降させると、棒状体１４ａ～１４ｃに支持された半導体基板１００を、内槽１１１に自動的に搬入および搬出することができる。

図３は、図２に示す領域Ａを拡大した側面図である。図３に示すように、棒状体１４ｂには、複数の凹部１４１が、Ｙ方向に沿って設けられている。各凹部１４１には、半導体基板１００が一つずつ挿入される。各凹部１４１の底部には、複数の弾性体１４２が設けられている。

図４は、弾性体１４２を拡大した斜視図である。各凹部１４１の底部では、複数の弾性体１４２が、Ｙ方向およびＺ方向に直交するＸ方向に沿って並べられている。各弾性体１４２は、例えばフッ素樹脂またはゴムといった弾性材料を用いてフィン状に形成されている。

また、半導体基板１００を、その中心Ｃを通りＹ方向に延びる回転軸を中心にして一方向に回転させるために、弾性体１４２は、その下端部からその上端部に向かって回転方向に傾斜している。凹部１４１および弾性体１４２は、棒状体１４ｂだけでなく棒状体１４ａおよび棒状体１４ｃにも設けられている。

以下、本実施形態に係る基板処理装置１を用いた半導体装置の製造工程について説明する。具体的には、電極層が積層された３次元積層型半導体記憶装置の製造工程の一部について説明する。

図５Ａは、エッチング前の半導体装置の平面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す切断線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。また、図６は、エッチング後の半導体装置の断面図である。

図５Ｂに示すように、半導体基板１００上には、窒化シリコン膜１０１と酸化シリコン膜１０２とが交互に積層されている。窒化シリコン膜１０１と酸化シリコン膜１０２とからなる積層体は、スリット１０３によって分断されている。また、この積層体には、複数の柱状のメモリ膜１０４が形成されている。

駆動機構１６がリフタ１５を駆動して半導体基板１００を内槽１１１に貯留された薬液２００に浸漬させると、薬液２００がスリット１０３から積層体内に浸入する。その結果、図６に示す断面図のように、窒化シリコン膜１０１が酸化シリコン膜１０２に対して選択的にエッチングされる。窒化シリコン膜１０１のエッチングが終了すると、リフタ１５によって半導体基板１００は、内槽１１１から搬出される。その後、窒化シリコン膜１０１のエッチング箇所には、例えばタングステン（Ｗ）を含む導電膜が成膜される。この導電膜の一部は、ワードラインとして機能する。

以下、図７Ａ～図７Ｃを参照して、上述した窒化シリコン膜１０１のエッチング中における半導体基板１００の動きについて説明する。

内槽１１１には、配管１２の吐出口１２ａから吐出される薬液２００によって、内槽１１１の底部と上部との間で薬液２００の流れが発生する（図１参照）。この薬液２００の流れによって、まず、図７Ａに示すように、半導体基板１００には、鉛直方向下向きの力が加えられる。

上記力によって半導体基板１００の外周部が弾性体１４２に接する位置まで下降すると、弾性体１４２が傾斜しているため、図７Ｂに示すように、半導体基板１００は、弾性体１４２の傾斜に沿って方向Ｒに回転する。

次に、図７Ｃに示すように、半導体基板１００は、薬液２００の流れによって生じた鉛直方向上向きの力によって上昇する。このとき、弾性体１４２は、弾性変形して図７Ａに示す形状に戻る。その後、図７Ａ～図７Ｃに示す半導体基板１００の回転が繰り返される。

以上説明した本実施形態によれば、棒状体１４ａ～１４ｃに設けられた凹部１４１および弾性体１４２から成る変換機構が、薬液の２００の流れによって半導体基板１００に加えられた鉛直方向の振動を、中心Ｃを回転軸とする半導体基板１００の回転に変換する。これにより、半導体基板１００表面全体が、周期的に薬液２００の流速が大きい吐出口１２ａ付近を通過するため、結果的に薬液２００の流れが均一化される。よって、窒化シリコン膜１０１が、半導体基板１００内で均一にエッチングされる。

また、本実施形態では、モータ等の大規模な機構ではなく、凹部１４１および弾性体１４２といった簡易な機構で半導体基板１００を回転させている。したがって、半導体基板１００面内における薬液処理の均一性を容易に向上させることが可能となる。

なお、本実施形態では、エッチング処理中に駆動機構１６がリフタ１５を鉛直方向（Ｚ方向）および水平方向（Ｘ方向）に振動させてもよい。この場合、半導体基板１００の振動の振幅および周波数を駆動機構１６で調整することができるため、半導体基板１００の回転動作の制御性が向上する。

(第２実施形態)
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態では、棒状体１４ａ～１４ｃの構造が第１実施形態と異なる。そのため、以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図８は、第２実施形態に係る基板処理装置の要部を拡大した側面図である。図８は、図２に示す領域Ａの拡大図に対応する。図８に示すように、本実施形態に係る棒状体１４ｂでは、第１実施形態と同様に複数の凹部１４１がＹ方向に沿って設けられている一方で、各凹部１４１の底部には、複数の突起部１４３が設けられている。

図９は、突起部１４３を拡大した斜視図である。各凹部１４１の底部では、複数の突起部１４３が、Ｘ方向に沿って並べられている。各突起部１４３は、例えば、薬液２００に対する耐性を有する石英等を用いて山脈状に形成されている。また、各突起部１４３の斜面（稜線）は、半導体基板１００を一方向に回転させるために、回転方向に傾斜している。この突起部１４３は、棒状体１４ｂだけでなく棒状体１４ａおよび棒状体１４ｃにも設けられている。

本実施形態に係る基板処理装置でも、第１実施形態で説明した窒化シリコン膜１０１を選択的にエッチングすることができる。以下、図１０Ａ～図１０Ｃを参照して、上記窒化シリコン膜１０１のエッチング中における半導体基板１００の動きについて説明する。

図１０Ａに示すように、半導体基板１００の外周部が突起部１４３の頂部（先端部）に接触しているとき、内槽１１１の底部と上部との間で発生する薬液２００の流れによって、水平方向または鉛直方向の振動が半導体基板１００に加えられる。

半導体基板１００に上記振動が加えられたとき、図１０Ｂに示すように、突起部１４３の斜面は、一方向に傾斜しているため、この一方向と反対の時計回りＲ１への半導体基板１００の回転は、阻止される。その一方で、突起部１４３は、図１０Ｃに示すように、一方向と同じ時計回りＲ２への半導体基板１００の回転を促す。このようにして、半導体基板１００は、反時計回りＲ２への回転を繰り返す。

以上説明した本実施形態によれば、棒状体１４ａ～１４ｃに設けられた凹部１４１および突起部１４３から成る変換機構が、薬液の２００の流れによって半導体基板１００に加えられた鉛直方向または水平方向の振動を、中心Ｃを回転軸とする半導体基板１００の回転に変換する。これにより、半導体基板１００表面全体が、周期的に薬液２００の流速が大きい吐出口１２ａ付近を通過するため、結果的に薬液２００の流れが均一化される。よって、窒化シリコン膜１０１が、半導体基板１００内で均一にエッチングされる。

また、本実施形態においても、上記変換機構は、凹部１４１および突起部１４３といった簡易な構成となっている。したがって、半導体基板１００面内における薬液処理の均一性を容易に向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。本実施形態では、棒状体１４ａ～１４ｃの配置が第１実施形態と異なる。そのため、以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１１は、第３実施形態に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。図１１では、基板処理装置のうち、棒状体１４ａ～１４ｃ以外の構成要素については、記載を省略している。

図１１に示すように、本実施形態では、棒状体１４ａおよび棒状体１４ｂは、半導体基板１００の中心Ｃを通ってＺ方向に延びる中心軸に対して非対称に配置されている。また、棒状体１４ｃは、棒状体１４ａと棒状体１４ｂとの間における上記中心軸から外れた位置に配置されている。すなわち、棒状体１４ａから棒状体１４ｃまでの直線距離は、棒状体１４ｂから棒状体１４ｃまでの直線距離と異なっている。

上記のような配置構成により、棒状体１４ａ～棒状体１４ｃのうち、２本の棒状体が同時に半導体基板１００を支持する。ただし、棒状体１４ａおよび棒状体１４ｂは異時に半導体基板１００を支持し、かつ、棒状体１４ｃは棒状体１４ａまたは棒状体１４ｃのいずれかと同時に半導体基板１００を支持する。

図１２は、棒状体１４ａ～１４ｃの側面図である。図１２に示す棒状体１４ａ～１４ｃには、第１実施形態で説明した凹部１４１が形成されている一方で弾性体１４２は形成されていない。

本実施形態に係る基板処理装置でも、第１実施形態で説明した窒化シリコン膜１０１を選択的にエッチングすることができる。以下、図１３Ａ～図１３Ｃを参照して、上記窒化シリコン膜１０１のエッチング中における半導体基板１００の動きについて説明する。

棒状体１４ａおよび棒状体１４ｃが半導体基板１００の外周部に接しているときに（図１１参照）、内槽１１１内で鉛直方向上向きの薬液２００の流れが発生すると、図１３Ａに示すように、半導体基板１００は凹部１４１を乗り越えない範囲で浮遊（上昇）する。このとき、半導体基板１００の－Ｘ方向（図１３Ａでは左側）への水平移動は、棒状体１４ａによって阻止される。そのため、図１３Ｂに示すように、半導体基板１００は、＋Ｘ方向（図１３Ａでは右側）へ水平移動して、棒状体１４ｂおよび棒状体１４ｃに支持される。

棒状体１４ｂと棒状体１４ｃとの間隔は、棒状体１４ａと棒状体１４ｃとの間隔よりも狭いため半導体基板１００は不安定な状態となる。そのため、半導体基板１００は、方向Ｒに回転して、棒状体１４ａおよび棒状体１４ｃに再び支持される。
その後、図１３Ａ～図１３Ｃに示す半導体基板１００の回転が繰り返される。

以上説明した本実施形態によれば、３本の棒状体１４ａ～１４ｃから成る変換機構が、薬液の２００の流れによって半導体基板１００に加えられた鉛直方向の振動を、水平方向の移動を振動と回転との間に挟みながら半導体基板１００の回転に変換する。これにより、半導体基板１００表面全体が、周期的に薬液２００の流速が大きい吐出口１２ａ付近を通過するため、結果的に薬液２００の流れが均一化される。よって、窒化シリコン膜１０１が、半導体基板１００内で均一にエッチングされる。

また、本実施形態では、各棒状体の凹部１４１の底部に弾性体１４２を設置する必要がない。したがって、半導体基板１００の振動を回転に変換する変換機構をより簡素な構成とすることができる。

（第１変形例）
図１４は、第１変形例に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。図１に示す基板処理装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本変形例に係る基板処理装置１ａは、上述した基板処理装置１の構成要素に加えて、配管１７および気泡発生器１８をさらに備える。配管１７の一端には、内槽１１１と連通する吐出口１７ａが設けられている。吐出口１７ａは、配管１２の吐出口１２ａと同様に、内槽１１１の底部に配置されている。なお、図１４には、４つの吐出口１７ａが示されているが、吐出口１７ａの数は特に制限されない。

気泡発生器１８は、配管１７内に窒素ガスを流す。この窒素ガスが吐出口１７ａから吐出されると、薬液２００内に気泡３００が生成される。気泡３００は、吐出口１２ａから吐出された薬液２００とともに内槽１１１内の薬液２００を撹拌するため、半導体基板１００は振動しやすくなる。半導体基板１００の振動は、第１実施形態～第３実施形態でそれぞれ説明した棒状体１４ａ～１４ｃに設けられた変換機構（凹部１４１、弾性体１４２、突起部１４３）によって半導体基板１００の回転に変換される。

このとき、本変形例では、気泡発生器１８がガス流量を調整してもよい。例えば、図１４の左側に配置された吐出口１７ａから図１４の右側に配置された吐出口１７ａの順にガス流量を増加させると、右側の吐出口１７ａからより多くの気泡３００が生成されるため、半導体基板１００が方向Ｒへ回転しやすくなる。

以上説明した本実施形態によれば、気泡発生器１８が薬液２００内に気泡３００を生成することによって、半導体基板１００の振動をアシストすることができる。さらに、気泡発生器１８が気泡３００の生成箇所を制御することによって、半導体基板１００の回転もアシストすることが可能となる。

（第２変形例）
図１５は、第２変形例に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。本変形例に係る基板処理装置１ｂには、棒状体１４ｃ～１４ｅがさらに設けられている。なお、基板処理装置１ｂは、棒状体１４ｃ～１４ｅのうちの全ての棒状体を備えている必要はなく、少なくとも１つの棒状体を備えていてもよい。また、図１５では、基板処理装置１ｂのうち、棒状体１４ａ～１４ｅ以外の構成要素については、記載を省略している。

棒状体１４ｃ～１４ｅは、第１実施形態または第２実施形態で説明した棒状体１４ａ～１４ｃと同じ構造を有する。すなわち、棒状体１４ｃ～１４ｅには、複数の凹部１４１が形成され、各凹部１４１の底部には、複数の弾性体１４２または複数の突起部１４３が設置されている。

棒状体１４ｃおよび棒状体１４ｄは、内槽１１１の内側面１１１ａに設けられ、Ｘ方向で互いに対向している。一方、棒状体１４ｅは、内槽１１１の蓋部１１１ｂに設けられ、棒状体１４ｃとＺ方向で対向している。半導体基板１００の外周部が、棒状体１４ｃ～１４ｅに設けられた弾性体１４２または突起部１４３に接すると、弾性体１４２または突起部１４３は、半導体基板１００を方向Ｒに回転させる。

したがって、本変形例によれば、半導体基板１００の振動を回転に変換する変換機構の数が、第１実施形態および第２実施形態に比べて増加する。これにより、半導体基板１００がより円滑に回転するため、薬液処理の均一性をより向上させることが可能となる。

（第３変形例）
図１６は、第３変形例に係る基板処理装置の要部を示す正面図である。図１６では、基板処理装置のうち、棒状体１４ａ～１４ｃ以外の構成要素については、記載を省略している。

本変形例では、棒状体１４ａおよび棒状体１４ｂは、第３実施形態と同様に、半導体基板１００の中心Ｃに対して非対称に配置されている。また、棒状体１４ｃは、棒状体１４ａと棒状体１４ｂとの間における上記中心軸から外れた位置に配置されている。すなわち、棒状体１４ａから棒状体１４ｃまでの直線距離は、棒状体１４ｂから棒状体１４ｃまでの直線距離と異なっている。

ただし、本変形例では、棒状体１４ｃから棒状体１４ａまでの高さ（Ｚ方向の距離）は、棒状体１４ｃから棒状体１４ｂまでの高さと異なっている。このような配置構成であっても、棒状体１４ａ～棒状体１４ｃのうち、棒状体１４ａおよび棒状体１４ｂは異時に半導体基板１００を支持し、かつ、棒状体１４ｃは棒状体１４ａまたは棒状体１４ｃのいずれかと同時に半導体基板１００を支持することができる。

したがって、本変形例においても、棒状体１４ａ～棒状体１４ｃは、第３実施形態と同様に半導体基板１００に加えられた鉛直方向の振動を、水平方向の移動を振動と回転との間に挟みながら半導体基板１００の回転に変換することができる。これにより、半導体基板１００表面の薬液処理を均一化することが可能となる。

（第４変形例）
図１７は、第４変形例に係る基板処理装置の要部を示す斜視図である。上述した第３実施形態では、２本の棒状体で半導体基板１００を支持する。そのため、半導体基板１００の支持が不安定になりやすい。

そこで、本変形例では、図１７に示すように円柱状の棒状体１４ａ～１４ｃの外周面の一部に滑り止めシート１９が貼り付けられている。滑り止めシート１９は、棒状体１４ａ～１４ｃの摩擦係数よりも大きい材料で形成される。これにより、半導体基板１００と棒状体１４ａ～１４ｃの接触箇所は、滑りにくくなる。

したがって、本変形例によれば、半導体基板１００の支持安定性が向上するため、半導体基板１００をスムーズに水平移動および回転移動させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１ａ、１ｂ：基板処理装置
１１：処理槽
１２、１７：配管
１２ａ、１７ａ：吐出口
１４ａ～１４ｃ：棒状体
１００：半導体基板
１４１：凹部
１４２：弾性体
１４３：突起部
２００：薬液

Claims (5)

1. 複数の基板を処理する薬液を貯留する処理槽と、
   前記処理槽内に前記薬液または気泡を吐出する吐出口を有する配管と、
   前記処理槽内で前記複数の基板を支持する複数の棒状体と、
   前記複数の棒状体または前記処理槽に設けられ、前記配管から吐出された前記薬液または前記気泡によって各基板に加えられた振動を、前記基板の中心を回転軸とする一方向の回転に変換する変換機構と、
   を備える基板処理装置。
2. 前記変換機構が、
   前記複数の基板の配列方向に沿って各棒状体に設けられた複数の凹部と、
   各凹部の底部に設けられ、前記一方向に傾斜したフィン状の複数の弾性体と、を含む、請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記変換機構が、
   前記複数の基板の配列方向に沿って各棒状体に設けられた複数の凹部と、
   各凹部の底部に設けられ、前記一方向に傾斜した山脈状の複数の突起部と、を含む、請求項１に記載の基板処理装置。
4. 前記変換機構が、
   前記複数の棒状体のうち一つである第１棒状体と、
   前記処理槽の鉛直方向に平行な前記基板の中心軸に対して前記第１棒状体とは非線対称に配置され、前記第１棒状体とは異時に前記複数の基板を支持する第２棒状体と、
   前記第１棒状体と前記第２棒状体との間に配置され、前記第１棒状体または前記第２棒状体のいずれかと同時に前記複数の基板を支持する第３棒状体と、を含む、請求項１に記載の基板処理装置。
5. 処理槽内に貯留された薬液に複数の基板を浸漬し、
   前記処理槽内に前記薬液または気泡を吐出し、
   吐出された前記薬液または前記気泡によって各基板に加えられた振動を、前記基板の中心を回転軸とする一方向の回転に変換しながら、前記基板に形成された膜をエッチングする、
   半導体装置の製造方法。

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